Berło (reaktor termojądrowy)

Berło było wczesnym urządzeniem do zasilania fuzyjnego , opartym na koncepcji uwięzienia plazmy typu Z-pinch , zbudowanym w Wielkiej Brytanii od 1957 roku. Były to ostateczne wersje serii urządzeń, których historia sięga oryginalnych maszyn zaciskowych, zbudowanych w Imperial College London przez Cousins ​​and Ware w 1947 r. Kiedy prace nad syntezą jądrową w Wielkiej Brytanii zostały sklasyfikowane w 1950 r., zespół Ware'a został przeniesiony do laboratoriów Associated Electrical Industries (AEI) w Aldermaston . Zespół pracował nad problemami związanymi z używaniem metalowych rurek pod wysokim napięciem, wspierając wysiłki w Harwell . Kiedy maszyna ZETA Harwella najwyraźniej wytworzyła fuzję, AEI szybko zbudowało mniejszą maszynę, Sceptre, aby przetestować swoje wyniki. Berło również wytworzyło neutrony, najwyraźniej potwierdzając eksperyment ZETA. Później odkryto, że neutrony były fałszywe, a prace nad skurczem Z w Wielkiej Brytanii zakończyły się na początku lat sześćdziesiątych.

Historia

Tło

Aby zapoznać się ze szczegółową historią szczypania w Wielkiej Brytanii, zobacz Z-pinch .

Badania nad syntezą jądrową w Wielkiej Brytanii rozpoczęły się przy skromnym budżecie w Imperial College w 1946 r. Kiedy George Paget Thomson nie uzyskał funduszy z Atomic Energy Research Establishment ( AERE) Johna Cockcrofta , przekazał projekt dwóm studentom, Stanleyowi (Stan) W. Cousins ​​i Alan Alfred Ware (1924-2010). Pracę nad koncepcją rozpoczęli w styczniu 1947 roku, używając szklanej rurki i starych części radaru. Ich małe eksperymentalne urządzenie było w stanie generować krótkie błyski światła. Jednak natura światła pozostawała tajemnicą, ponieważ nie mogli wymyślić metody pomiaru jego temperatury.

Prace wykazały niewielkie zainteresowanie, chociaż zauważył je Jim Tuck , który interesował się wszystkim, co związane jest z syntezą jądrową. On z kolei przedstawił te koncepcje Peterowi Thonemannowi i obaj opracowali własną, podobną małą maszynę w Laboratorium Clarendon Uniwersytetu Oksfordzkiego . Tuck wyjechał na University of Chicago , zanim urządzenie zostało zbudowane. Po przeprowadzce do Los Alamos , Tuck wprowadził tam koncepcję szczypania i ostatecznie zbudował Maybeatron w ten sam sposób.

Na początku 1950 roku Klaus Fuchs przyznał się do przekazania ZSRR tajemnic atomowych Wielkiej Brytanii i USA. Ponieważ urządzenia do syntezy jądrowej generowałyby duże ilości neutronów , które mogłyby zostać użyte do wzbogacenia paliwa jądrowego do bomb atomowych , Wielka Brytania natychmiast sklasyfikowała wszystkie ich prace związane z syntezą jądrową. Badania uznano za wystarczająco ważne, aby je kontynuować, ale utrzymanie ich w tajemnicy na uniwersytecie było trudne. Podjęto decyzję o przeniesieniu obu drużyn w bezpieczne miejsca. Imperialny zespół pod dowództwem Ware'a został utworzony w Associated Electrical Industries (AEI) w Aldermaston w listopadzie, podczas gdy zespół z Oxfordu pod wodzą Thonemanna został przeniesiony do UKAEA Harwell.

Być może najwcześniejsze zdjęcie niestabilności załamania w akcji - tuba pyreksowa 3 na 25 w Aldermaston.

Do 1951 roku działało wiele urządzeń zaciskających; Cousins ​​i Ware zbudowali kilka kolejnych maszyn, Tuck zbudował swój Maybeatron, a inny zespół w Los Alamos zbudował maszynę liniową znaną jako Columbus. Później okazało się, że Fuchs przekazał Sowietom informacje o wczesnych pracach w Wielkiej Brytanii, a oni również rozpoczęli program szczypania.

W 1952 roku było dla wszystkich jasne, że coś jest nie tak z maszynami. Po przyłożeniu prądu plazma najpierw zaciskała się zgodnie z oczekiwaniami, ale następnie rozwijała serię „załamań”, ewoluując w kształt sinusoidalny. Kiedy zewnętrzne części uderzają w ścianki pojemnika, niewielka ilość materiału odpryskuje do plazmy, ochładzając ją i rujnując reakcję. Ta tak zwana „niestabilność załamań” okazała się fundamentalnym problemem.

Praktyczna praca

W Aldermaston oddziałem imperialnym kierował Thomas Allibone . W porównaniu z zespołem w Harwell, zespół z Aldermaston postanowił skupić się na szybszych systemach zaciskania. Ich zasilanie składało się z dużego zestawu kondensatorów o łącznej pojemności 66 000 dżuli (przy pełnym rozprężeniu) przełączanych przez iskierniki , które mogły zrzucać zmagazynowaną energię do systemu przy dużych prędkościach. Urządzenia Harwella wykorzystywały wolniej narastające prądy skurczowe i musiały być większe, aby osiągnąć te same warunki.

Jedną z wczesnych sugestii rozwiązania problemu niestabilności załamań było użycie wysoce przewodzących metalowych rurek do komory próżniowej zamiast szkła. Gdy plazma zbliżała się do ścianek rury, poruszający się prąd indukował pole magnetyczne w metalu. Pole to, zgodnie z prawem Lenza , przeciwstawiałoby się ruchowi plazmy w jego kierunku, miejmy nadzieję, spowalniając lub zatrzymując jej zbliżanie się do ścianek pojemnika. Tuck odniósł się do tej koncepcji jako „dodania plazmie kręgosłupa”.

Allibone, pochodzący z Metropolitan-Vickers , pracował nad lampami rentgenowskimi o metalowych ściankach, które wykorzystywały małe porcelanowe wstawki do izolacji elektrycznej. Zasugerował, aby spróbować tego samego w eksperymentach z syntezą jądrową, potencjalnie prowadząc do wyższych temperatur, niż mogłyby wytrzymać szklane rurki. Zaczęli od całkowicie porcelanowej rurki o głównej osi 20 cm i byli w stanie zaindukować 30 kA prądu w plazmie, zanim się rozpadła. Następnie zbudowali wersję aluminiową, która została podzielona na dwie części z wkładkami z miki między nimi. Ta wersja cierpiała na wyładowania łukowe między dwiema połówkami.

Przekonany, że metalowa rura jest przyszłością, zespół rozpoczął długą serię eksperymentów z różnymi materiałami i technikami konstrukcyjnymi, aby rozwiązać problem wyładowań łukowych. Do 1955 roku opracowali jeden z 64 segmentami, który okazał się obiecujący, i używając baterii kondensatorów 60 kJ byli w stanie wywołać wyładowania 80 kA. Chociaż rura była ulepszeniem, cierpiała również na te same niestabilności załamań i prace nad tym podejściem zostały porzucone.

Aby lepiej scharakteryzować problem, zespół rozpoczął budowę większego aluminiowego torusa z 12-calowym otworem i 45-calową średnicą i wstawił dwa proste odcinki, aby rozciągnąć go do kształtu toru wyścigowego. Proste sekcje, znane jako „pieprzniczka”, miały wywiercone w nich serie otworów ustawionych pod kątem, tak aby wszystkie wskazywały jeden punkt ogniskowy w pewnej odległości od aparatu. Kamera umieszczona w ognisku była w stanie zobrazować całą kolumnę plazmy, znacznie poprawiając zrozumienie procesu niestabilności.

Badając ten problem, Shavranov, Taylor i Rosenbluth opracowali pomysł dodania drugiego pola magnetycznego do systemu, stałego pola toroidalnego generowanego przez magnesy krążące wokół rury próżniowej. Drugie pole zmusiłoby elektrony i deuterony w plazmie do orbitowania wokół linii sił, redukując skutki niewielkich niedoskonałości w polu generowanym przez samo ściśnięcie. Wywołało to duże zainteresowanie zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak iw Wielkiej Brytanii. Thomson, uzbrojony w możliwość stworzenia działającego urządzenia i oczywiste zainteresowanie w USA, uzyskał aprobatę dla bardzo dużej maszyny, ZETA.

Berło

W Aldermaston, korzystając z tych samych informacji, zespół Ware'a obliczył, że przy 60 kJ dostępnych w istniejącym banku kondensatorów, osiągną wymagane warunki w pokrytej miedzią rurce kwarcowej o średnicy 2 cali i średnicy 10 cali lub całkowicie wersja miedziana 2 cale w otworze i 18 cali w poprzek. Prace nad obydwoma rozpoczęto równolegle, jako Scepter I i II.

Jednak zanim którykolwiek z nich został ukończony, zespół ZETA w Harwell osiągnął już stabilne plazmy w sierpniu 1957 roku. Zespół z Aldermaston ścigał się, aby ukończyć swój większy system fotograficzny. Problemem stały się łuki elektryczne i zwarcia między segmentami rur, ale zespół nauczył się już, że „wypalanie na sucho” aparatu setki razy zmniejszy ten efekt. Po zajęciu się wyładowaniami łukowymi dalsze eksperymenty wykazały temperatury około 1 miliona stopni. System działał zgodnie z oczekiwaniami, tworząc wyraźne obrazy niestabilności załamań przy użyciu szybkiej fotografii i argonu, aby uzyskać jasny obraz.

Następnie zespół usunął proste sekcje, dodał magnesy stabilizujące i ponownie ochrzcił maszynę Scepter III. W grudniu rozpoczęli eksperymentalne biegi, takie jak na ZETA. Mierząc linie widmowe tlenu, obliczyli temperaturę wewnętrzną od 2 do 3,5 miliona stopni. Fotografie wykonane przez szczelinę w boku pokazały, że kolumna plazmy pozostaje stabilna przez 300 do 400 mikrosekund, co stanowi ogromną poprawę w stosunku do wcześniejszych wysiłków. Pracując wstecz, zespół obliczył, że plazma ma rezystywność elektryczną około 100 razy większą niż miedź i jest w stanie przewodzić prąd o natężeniu 200 kA przez łącznie 500 mikrosekund. Kiedy prąd przekraczał 70 kA, neutrony były obserwowane w mniej więcej takiej samej liczbie jak ZETA.

Podobnie jak w przypadku ZETA, wkrótce okazało się, że neutrony są wytwarzane przez fałszywe źródło, a temperatury wynikają z turbulencji w plazmie, a nie ze średniej temperatury.

Berło IV

Ponieważ klęska ZETA rozegrała się w 1958 roku, rozwiązania problemów obserwowanych w ZETA i Scepter IIIA miały być proste: lepsza rura, wyższa próżnia i gęstsza plazma. Ponieważ maszyna Scepter była znacznie tańsza, a bateria kondensatorów dużej mocy już istniała, podjęto decyzję o przetestowaniu tych koncepcji z nowym urządzeniem, Scepter IV.

Jednak żadna z tych technik nie pomogła. Berło IV okazało się mieć takie same problemy z wydajnością jak wcześniejsze maszyny. Scepter IV okazał się ostatnim dużym „klasycznym” urządzeniem do szczypania zbudowanym w Wielkiej Brytanii.

Notatki

Współrzędne :

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sceptre_(fusion_reactor)&oldid=1091335452 ”